VOL. 31 N 8 OCTOBRE 2016 GÉOTHERMIE et récupération de chaleur des eaux de drainage PVCC Clapets antiretour POSTE-PUBLICATIONS, N 0 DE CONVENTION 40006319
Géothermie et récupération de chaleur des eaux de drainage : un couplage potentiel PAR ALAIN NGUYEN, PH.D., ING., CARL BÉGIN, ING., ET PHILIPPE PASQUIER, PH.D., ING. Les systèmes de pompes à chaleur géothermiques représentent une alternative durable aux systèmes conventionnels utilisant les énergies fossiles puisqu ils utilisent la chaleur emmagasinée dans le sol et permettent des économies d énergie importantes. Plus intéressant encore, ces systèmes permettent un couplage harmonieux avec d autres sources d énergie par l entremise d un stockage au sol. Une récente étude de cas a évalué la possibilité de coupler la géothermie avec les récupérateurs de chaleur des eaux de drainage. Système géothermique Les systèmes géothermiques échangent de la chaleur avec le sous-sol par l entremise d un fluide caloporteur (généralement de l eau ou un mélange eau-antigel) circulant dans un tuyau installé à l intérieur d un puits rempli d un coulis de sable et de bentonite. Durant l hiver, l énergie du sol est captée par le fluide caloporteur, puis transférée vers le bâtiment à 12 I M B - O C T O B R E 2 0 1 6
l aide d une pompe à chaleur géothermique. En période estivale, l excès de chaleur du bâtiment est capté par le fluide caloporteur et réinjecté dans le sol. Dans le contexte climatique québécois, les demandes en chauffage sont généralement bien supérieures aux demandes en climatisation. Pour un système géothermique, cela signifie qu il soutire beaucoup plus d énergie du sol qu il en réinjecte, ce qui créé un débalancement thermique annuel, et par conséquent, une diminution graduelle de la température du sol. Les thermopompes géothermiques sont parmi les équipements les plus efficaces en CVCA pour le chauffage et la climatisation. Néanmoins, pour opérer de façon optimale, la température du fluide dans la boucle souterraine doit être maintenue à l intérieur des plages de fonctionnement de la thermopompe. Selon l approche préconisée par l ASHRAE 1, la longueur du puits géothermique est calculée en fonction de plusieurs paramètres, telles la résistance thermique du forage, la conductivité thermique du sol, la demande de pointe du bâtiment, la demande thermique moyenne annuelle et la température limite allouée pour le fluide. Pour un bâtiment ayant un débalancement thermique important, la longueur minimale nécessaire à l échangeur peut être significativement affectée. En général, les coûts de forage peuvent représenter jusqu à 40 % du coût total d un projet. Ainsi, tout effort permettant de réduire la longueur requise des échangeurs aurait un impact favorable sur la rentabilité du projet. Recharge thermique et récupérateur de chaleur des eaux de drainage La recharge thermique des puits géothermiques permet non seulement de diminuer le débalancement au niveau du sol, mais également d augmenter la température moyenne de la boucle géothermique, ce qui a pour effet d améliorer la performance des thermopompes en chauffage. Cette recharge peut se faire aisément à l aide d un récupérateur de chaleur des eaux de drainage (RCED). Fonctionnement d un RCED Au Québec, le chauffage de l eau domestique représente une partie importante de la facture énergétique d une habitation, soit environ 16 % 2. Cependant, seule une petite partie de cette énergie est réellement utilisée puisque l eau usée envoyée vers le drain contient une quantité importante d énergie thermique résiduelle. Un RCED (typiquement un échangeur de chaleur hélicoïdal en cuivre) permet de récupérer, dans certains cas, jusqu à 85 % de cette énergie généralement perdue. Typiquement, la chaleur récupérée est utilisée pour préchauffer l eau sanitaire, telle qu illustrée par la figure 1. Figure 1 - Configuration typique d un système de RCED 3 Drain Eau usée chaude 37 C Eau préchauffée 24 C Drain Eau usée refroidie 23 C Utilisation de l eau domestique Eau chaude Chauffe-eau L utilisation de l eau domestique peut être regroupée sous quatre catégories : l alimentation, le nettoyage, la toilette et la douche. Répartition de la consommation domestique de l eau 4 10 % Boire et préparer les repas 25 % Nettoyer (y compris la lessive) 30 % Faire fonctionner les toilettes 35 % Prendre un bain ou une douche Eau froide (tempérée) Arrivée d eau froide 10 C I M B - O C T O B R E 2 0 1 6 13
Une installation typique ne permet pas de récupérer la chaleur des eaux usées rejetées par certains appareils électroménagers (par exemple, la laveuse et le lave-vaisselle) ou par un bain puisque l arrivée d eau froide et le rejet des eaux de drainage sont généralement déphasés. Elle n est pratique que lorsqu une demande et un rejet arrivent simultanément, par exemple, la douche et le lavabo. Ainsi, un système typique de RCED permet de récupérer la chaleur d environ 35 % du total de l eau de drainage. Couplage géothermie-rced RCED Figure 2 - Couplage géothermie-rced Thermopompe Un couplage entre un système géothermique et un RCED permet d augmenter de façon substantielle la quantité d énergie récupérable des eaux de drainage. D une part, parce que l arrivée du fluide caloporteur froid au RCED est facilement contrôlable (par exemple, avec un robinet thermostatique), et d autre part, parce que la température de la boucle souterraine est bien plus froide que l arrivée d eau froide de l aqueduc (sous zéro dans certains cas), ce qui augmente l efficacité du RCED. En pratique, même les rejets d eaux froides, tels que les renvois de toilettes, peuvent produire de l énergie puisqu ils sont généralement plus chauds que la boucle géothermique en mode chauffage. Des simulations énergétiques effectuées par Marmott Énergies et Polytechnique Montréal, et financées en partie par le Conseil de recherches en sciences et en génie du Canada, ont démontré qu un couplage géothermie-rced permettrait de récupérer environ 5000 kwh par année pour une résidence familiale de 4 personnes, ce qui peut représenter entre 20 et 40 % des besoins de chauffage (selon le type de logement). La chaleur récupérée peut être utilisée directement par la thermopompe (lorsqu il y a une demande) ou réinjectée dans le sol pour le recharger thermiquement. Une représentation schématique simple du couplage géothermie-rced est illustrée à la figure 2. Par ailleurs, les systèmes géothermie-rced sont plus pertinents dans les multiplexes ou les tours de condominiums puisqu un même tuyau de drainage dessert habituellement plusieurs unités, ce qui augmente le débit d eaux usées duquel le système récupère de l énergie. Cela facilite les travaux d installation et, par conséquent, réduit significativement l investissement initial. Réduction de la longueur des échangeurs géothermiques Les simulations énergétiques ont également démontré que l ajout d un RCED permettrait de réduire la longueur totale des échangeurs de chaleur souterrains d environ 12 % par rapport à un système conventionnel 5. Bien entendu, le gain associé au RCED est directement relié à la consommation d eau chaude. Le gain sera davantage important pour des bâtiments ayant une consommation d eau importante, tels des cuisines avec lave-vaisselle commerciaux, des entreprises de nettoyage, des gymnases et des centres sportifs avec douches. Cas précédents Plusieurs systèmes géothermie-rced ont d ailleurs été installés dans des projets d habitations multiples en Alberta, notamment le Happy Creek à Hinton et le Stony Mountain Plaza à Fort McMurray. Dans le dernier cas, un total de 11 RCED ont permis de récupérer environ 94 MWh de chaleur provenant de 70 appartements, ce qui correspond à environ la moitié de la chaleur fournie par les thermopompes géothermiques 6. Les auteurs de l étude notent également que l utilisation du système géothermie-rced a contribué à une réduction annuelle des émissions de CO 2 de 15 tonnes par rapport à un système au gaz naturel. Conclusion Boucle géothermique Les systèmes géothermiques sont reconnus comme l une des technologies les plus remarquables pour le chauffage et la climatisation des bâtiments résidentiels, commerciaux et institutionnels. Le couplage géothermie-rced représente un réel potentiel pour bonifier davantage l efficacité énergétique du système géothermique et, par conséquent, la rentabilité financière du projet. De plus, les risques techniques sont minimes et facilement contrôlables (par exemple, en utilisant une valve de protection contre le gel pour protéger le RCED). Devant l urgence de réduire les émissions mondiales de gaz à effets 14 I M B - O C T O B R E 2 0 1 6
de serre, le couplage géothermie-rced pourrait permettre de réduire significativement les émissions de CO 2. Mesure fiscale et normative Selon Le plan économique du Québec 2016 7, l installation d un appareil de récupération de la chaleur des eaux de drainage est reconnue comme des travaux de rénovation écoresponsable et est admissible à l application du crédit d impôt Rénovert. Alors que la Régie du bâtiment du Québec précise la façon de raccorder un RCED 8, elle ne pose aucune exigence quant à l obligation d installer un RCED. Au Manitoba, depuis le 1 er avril 2016, un amendement au Code du bâtiment rend obligatoire l utilisation d unité de récupération de la chaleur des eaux de drainage dans les maisons neuves. Devant l efficacité et la simplicité d installation des RCED, une mise à jour du Code de construction du Québec s inspirant des meilleures pratiques canadiennes en matière d efficacité énergétique permettrait de favoriser l installation des RCED. ALAIN NGUYEN, Ph.D., est ingénieur. Il travaille comme associé de recherche à Polytechnique Montréal et comme conseiller en recherche et développement chez Marmott Énergies, une entreprise spécialisée en fourniture d énergie géothermique. CARL BÉGIN est ingénieur et responsable des projets spéciaux et communications environnementales chez Marmott Énergies. PHILIPPE PASQUIER, Ph.D., est ingénieur et professeur agrégé au département des génies civil, géologique et des mines à Polytechnique Montréal. 1 - ASHRAE (2015). Geothermal heating and cooling: design of ground-source heat pump systems. American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, GA. 2 - HEC Montréal (2015) Chaire de gestion du secteur de l énergie. Rapport État de l énergie au Québec. 3 - Belvedair. Système de récupération de chaleur des eaux grises. En ligne : http://belvedair.ca/ complement/optimisation/recuperation-de-la-chaleur-des-eaux-grises 4 - Mcgill. Quelle quantité d eau consommons-nous? En ligne : https://www.mcgill.ca/waterislife/ fr/l%e2%80%99eau-%c3%a0-la-maison/notre-consommation 5 - Morrow, D. (2011) Améliorer la performance des systèmes géothermiques grâce à la récupération de chaleur des eaux grises. GeoConneXion Magazine Automne 2011 : 6 9. 6 - Li, X., Gül, M. et Al-Hussein, M. (2015). Post-design system control for integrated space heating systems in residential buildings in cold regions. Building and Environment 94 :313 324. 7 - Finances Québec (2016). Le plan économique du Québec Renseignements additionnels 2016 2017. 8 - Régie du bâtiment du Québec. Branchement des systèmes de récupération de chaleur des eaux de drainage : attention aux légionelles. En ligne : https://www.rbq.gouv.qc.ca/plomberie/les-exigences-dequalite-et-de-securite/bulletins-techniques/branchement-des-systemes-de-recuperation-de-chaleurdes-eaux-de-drainage-attention-aux-legionelles.html BTH ULTRA avec contrôleur UtraSmart TM GAMME DE CHAUDIÈRES ÉLECTRIQUES bthultra Efficacité totale Compatible biénergie Design léger et compact Installation tion murale multiposition ition Contrôleur UltraSmart TM pour rendement optimal VARIÉTÉ DE PUISSANCES ALLANT DE 7 KW à 36 KW APPAREILS MULTIVOLTAGES POUR USAGES RÉSIDENTIEL ET COMMERCIAL DISPONIBLE EN 240 VAC 1 PHASE, 208/480/600 VAC 3 PHASES Découvrez notre vaste gamme de chaudières électriques BTH Ultra pour répondre à tous les besoins en chauffage hydronique. thermo2000.com Équipements de chauffage haute performance 16 I M B - O C T O B R E 2 0 1 6